Konstruktion av kompressorkit

E X A M E N S A R B E T E

2006:255 CIV

MIKAEL ERIKSSON MARCUS FORSBERG

Konstruktion av kompressorkit

CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Maskinteknik

Luleå tekniska universitet

Institutionen för Tillämpad fysik • Maskin- och materialteknik

Avdelningen för Datorstödd maskinkonstruktion

Förord

Som en del av vår utbildning vid Luleå Tekniska Universitet till civilingenjörer inom maskinteknik, med inriktning konstruktion, ingår ett examensarbete om 20p. Arbetet har utförts på distans mot företaget Tikka Race Sweden AB i Purkijaur, Jokkmokk.

Det finns ett flertal personer som förtjänar tack för den hjälp de bidragit med under arbetets gång. Vi vill tacka samtliga, särskilt Matts Tikka, Tikka Race Sweden AB, för förtroendet att låta oss genomföra vårt examensarbete hos dem. Robert Pettersson, Lysholm Technologies AB, för sitt engagemang och initiativtagande samt Roger Tuomas, handledare Polhem Regio, för sin hjälpsamhet.

Slutligen vill vi också tacka vår examinator Tobias Larsson, institutionen för tillämpad fysik, maskin- och materialteknik vid LTU, för sitt stöd och sin hjälp.

Luleå, augusti 2006

Marcus Forsberg Mikael Eriksson

Sammanfattning

Snöskotermarknaden står inför en förändring. I och med 4-taktsmotorernas intåg och de utvecklingsresurser som läggs på dessa, försvinner 2-takts maskinerna successivt från marknaden. De nya motorerna erbjuder helt nya möjligheter till effektökning, överladdning är en av dem och erbjuds av ett flertal kittillverkare.

Denna rapport beskriver arbetsgången vid utvecklingen av ett kompressorkit till

Yamahas snöskotermodell RX-1. Arbetet innefattar konstruktion och dimensionering

av tryckkammare och laddluftkylare. Kittet baseras på en skruvkompressor och

vätskebaserad laddluftkylning, i dagsläget unika komponenter för

snöskoterapplikationer. Arbetet har utförts åt Tikka Race Sweden AB och i enlighet

med en av dem framtagen kravspecifikation. Idéer och koncept har utvärderats

tillsammans med uppdragsgivaren och inblandade komponentleverantörer innan den

slutliga lösningen sammanställts till ett komplett kit. Datorverktyg i form av CAD

(Computer Aided Design) och FEA (Finite Element Analysis) har använts till att

konstruera och dimensionera ingående komponenter. Arbetet har resulterat i kompletta

CAD-modeller av ett prototypkit färdigt för CAM-beredning (Computer Aided

Manufacturing) och tillverkning. Kittet uppfyller samtliga krav ställda i

kravspecifikationen och har av uppdragsgivaren godkänts för tillverkning.

Abstract

The snowmobileindustry is facing a change. With the introduction of 4-stroke engines and the resources spent on developing them, the 2-stroke snowmobiles are gradually disappearing. The new type of engines offers completely new possibilities for power enhancement; forced air induction is one of them and is offered by several kitmanufacturers.

This report describes the work with developing a superchargerkit for a Yamaha RX-1 snowmobile. The work involves design and dimensioning of a pressurechamber and a charge-air cooler. The kit is based on a twinscrew supercharger and waterbased intercooling, components that today is unique for snowmobile applications. The thesis has been carried out by request from Tikka Race Sweden AB, in accordance to their specifications. Ideas and concepts have been evaluated in cooperation with Tikka Race Sweden AB and suppliers, before the final solution became a complete assembly.

Computer aided tools such as CAD (Computer Aided Design) and FEA (Finite

Element Analysis) have been used to design and dimensioning the components. The

result from the work includes complete 3D-models ready for being implemented into

CAM (Computer aided manufacturing). The complete assembly fulfills all the

specifications set by Tikka Race Sweden AB and has been approved for

manufacturing.

Innehållsförteckning

1 Inledning... 1

1.1 Bakgrund... 1

1.1.1 PolhemRegio ... 2

1.1.2 Tikka Race Sweden AB ... 2

1.1.3 Lysholm Technologies AB... 3

1.1.4 Laminova Production AB... 3

1.2 Syfte ... 3

1.3 Metod... 4

1.4 Uppdragsbeskrivning... 4

2 Konstruktion av kompressorkit... 5

2.1 Kravspecifikation ... 5

2.2 Benchmarking... 5

2.3 Allmänt om kompressoröverladdning... 6

2.3.1 Överladdning... 6

2.3.2 Kompressorer ... 6

2.3.3 Laddluftkylning... 7

2.3.4 Flöden och tryckförluster ... 8

2.4 Mätning av tillgängligt utrymme ... 9

2.5 Systemöverblick... 10

2.6 Dimensionering av kylsystem... 11

2.6.1 Beräkning av parametrar för dimensionering av kylelement. ... 11

2.6.2 Kylelement ... 12

2.6.3 Pump... 13

2.7 Koncept ... 13

2.7.1 Idégenerering... 13

2.7.2 CAD-koncept ... 14

2.7.3 Test av CAD-modeller ... 15

2.7.4 Konceptval ... 16

2.8 Modellering ... 16

2.8.1 Intercoolermodul ... 16

2.8.2 Gavlar till intercoolermodul ... 18

2.8.3 Tryckkammare ... 19

2.8.4 Lock... 20

2.8.5 Bultförband... 20

2.8.6 Assemblering... 20

2.8.7 Mock-up ... 20

2.9 Hållfasthetsanalys... 22

2.9.1 Analys av dynamiska yttre påfrestningar ... 22

2.9.1.1 Analytiska beräkningar ... 23

2.9.1.2 Simulering ... 23

2.9.2 FEA av IC-modul ... 24

2.9.3 FEA av lock... 25

2.10 Tillverkning av prototyp... 26

2.10.1 Frästa detaljer ... 26

2.10.2 Vattenskurna detaljer... 26

2.10.3 Bockning och svetsning ... 26

3 Resultat ...27

4 Diskussion och slutsatser ...30

4.1 Vidare arbete ... 31

5 Referenser...32

5.1 Personliga referenser ... 32

5.2 Webbaserade referenser ... 32

5.3 Tryckta källor... 33

5.4 Figurhänvisningar... 33

Bilaga A ...34

Definitioner, begrepp och symboler

Definitioner och förklaringar av de flesta begrepp, variabler och förkortningar ges i texten då de förekommer första gången. En sammanställning av begrepp och förkortningar finns i tabell 1.1.

Begrepp Beskrivning

ATV All Terrain Vehicle CAD Computer Aided Design FEA Finite Element Analysis

FEM Finite Element Method

MBS Multibody Simulation

I-deas Mjukvara använd för CAD och FEA

MSC.Adams Mjukvara använd för stelkroppsanalys

Tabell 1.1. Sammanställning av begrepp och förkortningar.

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Snöskotermarknaden erbjuder idag ett stort urval snöskotrar som drivs av fyrtaktsmotorer. Ökad driftssäkerhet, lägre motorljud och i princip luktfria avgaser är några av dess fördelar gentemot tvåtaktsmotorer. De lämpar sig dessutom ytterst väl för överladdning, något som kittillverkare världen över tagit fasta på. Eftermarknadskit baserade på turbo- och kompressorladdare erbjuds av ett flertal tillverkare. Trots imponerande effektsiffror innebär många av dessa en försämring av motorns ursprungliga karaktär, ett fördröjt gassvar hos motorn är ett vanligt problem och beror till stor del på valet av laddare.

Tikka Race Sweden AB [1] är ett företag som inriktat sig mot trimning av snöskotrar, de arbetar för närvarande med att utveckla och marknadsföra en ny typ av kompressorkit. Kittet baseras på en skruvkompressor som genom sin unika konstruktion kan bygga laddtryck och effekt direkt från tomgångsvarv.

Att utveckla och konstruera detta kit har godkänts som ett lämpligt examensarbete på

programmet maskinteknik med inriktning konstruktion. Författarna till detta arbete har

ett stort motor- och maskinintresse och såg det som en ypperlig chans att, i ett för dem

väldigt intressant projekt, få tillämpa och utnyttja de kunskaper de samlat på sig under

utbildningstiden. Det faktum att projektet innefattar hela kedjan från idé till verklig

produkt gör det hela mer utmanande. Examensarbetet har utförts under PolhemRegio i

samarbete med Tikka Race Sweden AB. Ytterligare inblandade parter kan ses som

sekundära arbetspartners vilkas delaktighet rör leverering av huvudkomponenter och

teknisk rådgivning. Sekundära samarbetspartners är Lysholm Technologies AB [2] och

Laminova Production AB [3]. Övriga komponentleverantörer har liten delaktighet i

projektet och kommer därför inte att beskrivas ytterligare.

1.1.1 PolhemRegio

PolhemRegio är ett projekt vid LTU med avsikt att hjälpa små och medelstora företag att förfina och implementera strategier och tankesätt inom produktutveckling.

Målgruppen är små och medelstora företag inom mekanisk industri, plastindustri och träindustri inom Norr- och Västerbotten.

PolhemRegio är ett Mål 1-projekt vilket delfinansieras av EU:s strukturfond. Projektet har för avsikt att dra nytta av den forskning och kompetens som Polhemslaboratoriet vid LTU har byggt upp. Polhemslaboratoriet är ett kompetenscentrum för integrerad produktutveckling vid Luleå tekniska universitet, initierat av VINNOVA.

Polhemslaboratoriets fokus är simuleringsbaserad produktutveckling och utveckling av en egen produktutvecklingsprocess. Att systematisera produktutvecklingsprocessen är ett sätt att effektivisera framtagningen av en ny produkt. Med hjälp av en god strategi och datorstöd i produktutvecklingsprocessen kan ledtiden från idé till färdig produkt minskas. En effektivare produktutveckling medför bättre kvalité, konkurrenskraft samt lönsamhet och att det elektroniska underlaget medger modifieringar och förenklar vid framtagning av nya varianter av samma produkt. De metoder och tekniker som utvecklats inom Polhemslaboratoriet vid Luleå tekniska universitet ska inom PolhemRegio nyttjas av de inblandade företagen för att effektivisera produktutvecklingen. Kommunikation av information i produktutvecklingen har varit en av stöttepelarna i Polhemslaboratoriet. Inom PolhemRegio kommer denna del att användas för att överbrygga geografiska avstånd. Konkret kan det betyda att uppgradera från 2D till 3D CAD och att arbeta parallellt och integrerat med personal som jobbar på olika datorer/orter. Målet är att förkorta ledtiderna, prediktera problem med produkten och minska kostnaderna för den totala produktens livscykel. Tekniker och metoder utvecklas och kontakt skapas mellan små företag och universitetet.

Metoderna ska vara långsiktigt hållbara för företaget och generera positiva förändringar.

1.1.2 Tikka Race Sweden AB

Tikka Race Sweden AB arbetar huvudsakligen med trimning av snöskotrar. Företaget är beläget i Purkijaur, Jokkmokk, och drivs av tre delägare. Deras målsättning är att utveckla delar och tillbehör till framförallt snöskotrar, vattenskotrar och ATV.

Företaget utvecklar och tar fram förstaserier som sedan tillverkas på lego. I företaget

finns lång och gedigen kompetens av snöskotrar. Matts Tikka, grundaren av Tikka

Race, har jobbat med snöskotrar sedan sjuttiotalet. I dagsläget är Tikka Race Sweden

AB etablerade på svenska, finska och norska marknaden, försök att etablera sig i USA

och Kanada kommer att ske under kommande vinter. Förutom produktutveckling och

tillbehörsförsäljning har Tikka Race Sweden AB varit återförsäljare för de flesta på

marknaden förekommande snöskotertillverkare. Utöver ovanstående har de

direktimporterat Yamaha, Arctic Cat, Ski-Doo och Polaris snöskotrar samt erbjudit ett

bredd sortiment utombordsmotorer, motorcyklar och ATV:s.

1.1.3 Lysholm Technologies AB

Lysholm Technologies AB bildades 1995 och har sedan dess arbetat med utveckling och försäljning av kompressorer. Marknadssegment som Lysholm etablerat sig starkt inom är bil- och båtmotorindustrin. Lysholm Technologies ingår i koncernen Opcon AB, vilka bland annat erbjuder världsledande teknologi inom områden som bränsleceller och tändsystem för förbränningsmotorer.

1.1.4 Laminova Production AB

Laminova Production AB är ett internationellt företag med patenterade lösningar på värmeväxlare. Laminova tillhandahåller produkter för en mängd olika applikationer inom kategorin värmeväxlingssystem. Några typiska användningsområden är intercooling, oljekylning, dieselkylning och luftkonditionering. Laminova bildades 1989 och är sedan 2001 medlem av Opcon AB.

1.2 Syfte

Syftet med denna rapport är att beskriva förfarandet vid utvecklingen av ett kompressorkit till Yamahas snöskotermodell RX-1. Rapporten beskriver en produktutvecklingsprocess i CAD-miljö där omgivningen och samspelande komponenter till kittet inte finns i datormiljö. Höga krav ställs på toleranser och utformning för korrekt funktion och effektivt utnyttjande av tillgängligt utrymme.

Rapporten riktar sig till alla som är intresserade och vill veta mer om produkten och

den arbetsgång som följts i detta specifika fall. Rapporten behandlar även översiktligt

de enklaste principerna vid överladdning av fyrtaktsmotorer. För att tillgodogöra sig

innehållet i rapporten krävs inga tidigare kunskaper inom området motortrimning enligt

överladdningsprincipen.

1.3 Metod

Med syftet att strukturera upp arbetet skapades en plan över de moment som antogs kunna bli aktuella under utvecklingsprocessen. Projektet beräknades kronologiskt följa den nedan presenterade arbetsgången.

• Litteraturstudie

• Benchmarking

• Konceptgenerering

• Konceptutvärdering och konceptval

• Konstruering och modellering

• Hållfasthetsanalys, simulering och dimensionering

Litteraturstudier bedömdes nödvändiga för att sätta sig in i problemet och för att samla information om kompressoröverladdning av motorer. Benchmarking för att skanna marknaden på liknande produkter och lösningar, samt för att bilda sig en uppfattning om vad som egentligen efterfrågas av kunderna. Resultatet av dessa två faser utgör en god grund för fortsatt arbete i form av idégenereringssessioner för framställning och val av koncept. Detaljkonstruktion och modellering följt av analyser och simuleringar är sista stegen innan kompletta CAD-modeller för tillverkning kan färdigställas.

1.4 Uppdragsbeskrivning

Projektet har utförts av två studenter vid Luleå tekniska universitet som ett

avslutningsmoment i deras civilingenjörsutbildning i maskinteknik med inriktning

konstruktion. Arbetet har utförts under PolhemRegio i samarbete med Tikka Race

Sweden AB. Projektet var ett rent konstruktionsprojekt som gick ut på att konstruera ett

kompressorkit till en snöskoter av modell Yamaha RX-1. Vissa av de ingående

komponenterna var i en kravspecifikation från uppdragsgivaren Tikka Race Sweden

AB redan förutbestämda. Syftet med projektet var att få dessa komponenter att

samspela med varandra och med snöskoterns originalkomponenter. Målsättningen var

att designa ett konkurrenskraftigt kompressorkit som uppfyller marknadens krav på

funktion och kvalitet.

2 Konstruktion av kompressorkit

2.1 Kravspecifikation

Kravspecifikation enligt uppdragsgivaren Tikka Race Sweden AB:

• Kompressormodell Lysholm 1200AX ska användas.

• Vid behov av laddluftkylning ska kylelement från Laminova Production AB användas.

• Kittet ska dimensioneras för kompressorns maximala laddtryck.

• Kittet ska få plats i original motorutrymme.

• Kittet ska få plats under original motorhuv.

• Kittet ska utseendemässigt harmonera med snöskoterns originalkomponenter.

• Kittet ska kräva så få ingrepp som möjligt i snöskoterns originalkomponenter.

• Kittet ska innehålla återcirkulationssystem för minskad påfrestning på ingående komponenter.

• Adderad vikt ska hållas så låg som möjligt.

• Kittet ska utstråla gedigen kvalitetskänsla.

• Kittet ska designas och konstrueras för att enkelt kunna anpassas till andra snöskotermodeller.

2.2 Benchmarking

Ett naturligt steg i utvecklandet av en ny produkt är att rekognosera marknaden på liknande befintliga produkter. Finns produkten redan på marknaden? Finns behov och efterfrågan? Vad är bra med existerande modeller och vad bör man tänka på?

Benchmarking visade att det idag finns en stor efterfrågan av eftermarknadskit för

effektökning till snöskotrar. Det finns ett gediget utbud där både kompressor- och

turbokit är representerade. Bland populära leverantörer kan exempelvis McXpress [4],

Bender Racing [5], Boondockers [6] och Mountain performance [7] nämnas. Ingen av

tillverkarna använder sig dock i dagsläget av kombinationen skruvkompressor och

vätskebaserad laddluftkylning. Avtal mellan Lysholm Technologies AB och Tikka

Race Sweden AB gör dessutom Tikka Race Sweden AB ensam om att kunna erbjuda

kit för snöskotrar baserade på Lysholms kompressorer. Efterfrågan uppfyller kraven för

en startad produktion och intresset för produkten är redan på idéstadiet stort. Efter

granskning av snöskoterforum [8] där eftermarknadskit enligt överladdningsprincip

diskuteras kan man dra slutsatsen att funktionen är av yttersta vikt. Flertalet anser

också att installationen bör underlättas. Låg vikt och minsta möjliga ingrepp i

snöskoterns originalkomponenter är ytterligare önskemål. För att nå ut till den stora

massan måste priset hållas på konkurrensmässig nivå. Det finns dock även en marknad

för extrema och exklusiva installationer och sådana bör därför också ingå i sortimentet.

2.3 Allmänt om kompressoröverladdning

Överladdning är ett effektivt sätt att öka effekten hos en motor. Laddtryck kan skapa effekt och uppnås med hjälp av turbos och kompressorer. Det senare alternativet är i detta fall det enda av intresse varför endast principer för kompressoröverladdning presenteras i denna rapport.

2.3.1 Överladdning

En motor förbrukar syre till att förbränna bränsle och därigenom producera effekt, mer bränsle innebär mer effekt om tillräckligt mycket syre kan tillföras. För en stökiometriskt korrekt förbränning krävs cirka 14.6 massandelar luft till varje massandel bensin [11]. Med hjälp av en kompressor kan man tvinga in luft i en volym ansluten till motorcylindrarnas inlopp och bygga upp ett övertryck, detta gör att motorns cylindrar matas med redan komprimerad luft och en större mängd syre. Ökas bränsletillförseln motsvarande uppnås en effektökning.

Vid överladdning bör den komprimerade luften kylas innan den når förbränningsrummen, kall luft har högre densitet än varm och innehåller således en större mängd syremolekyler per volymenhet. Kylning av laddluft görs vanligast med hjälp av så kallade luft till luft intercoolers, kylare där fartvind används till att kyla insugsluften [12].

2.3.2 Kompressorer

Det finns ett antal olika typer av kompressorer som lämpar sig för överladdning av förbränningsmotorer. De vanligast förekommande är centrifugal-, roots- och skruvkompressorer [13]. Var och en av dessa har sina för- och nackdelar med avseende på effektivitet, arbetsområde, pris och storlek. Med arbetsområde avses varvtals- och laddtrycksregister. Samtliga kompressortyper drivs av motorns vevaxel och kräver således en del av motorns effekt.

Eftersom det av uppdragsgivaren redan var bestämt att en dubbelskruvkompressor från

Lysholm Technologies AB skulle användas kommer ingen utredning eller information

om andra typer av kompressorer att ingå i denna rapport. En dubbelskruvkompressor

arbetar genom att dra luft genom ett par mekaniskt sammankopplade rotorer. Från

insugssidan kapslas luften in i fickor mellan loberna på rotorerna. Rotorerna är koniskt

formade från insugssida till utloppssida och komprimerar därmed luften inne i

kompressorhuset. Detta sker genom att ”luftfickorna” minskar i storlek i och med den

koniska utformningen av rotorerna. Konstruktionen ställer höga krav på

tillverkningstoleranser för att effektivt kapsla in luft mellan rotorerna. För stora

toleranser resulterar i läckage och minskad effektivitet. Höga toleranser innebär

fördyrande tillverkningskostnader och är förklaringen till varför skruvkompressorer är

dyrare än andra förekommande kompressortyper. Lysholms dubbelskruvkompressorer

hör till de mest effektiva på marknaden med avseende på värmeutveckling och

effektbehov. De karaktäriseras av snabb laddtrycksuppbyggnad och relativt låg

värmeutveckling.

Figur 1. Lysholm skruvkompressor modell LYS 1200 AX[17].

2.3.3 Laddluftkylning

I en kompressorinstallation där effektökning uppnås genom komprimering av luft sker värmeutveckling. Uppvärmning av laddluft innebär att mängden syremolekyler per volymenhet minskar och följaktligen att mindre mängd bränsle kan förbrännas med minskad motoreffekt som följd. Varmare insugsluft innebär också sämre kylning av förbränningsrummen och ökad risk för motorhaveri. Vid höga laddtryck är det därför lämpligt att använda sig av någon sorts kylning av laddluften. Vanligast är luft till luft radiatorer, kylare som använder luftflöden till att kyla. Deras fördelar är låg vikt och enkel konstruktion men installationen är utrymmeskrävande och bygger på att kylaren placeras där kall luft kan ledas genom den. Ett annat alternativ är luft till vätska radiatorer, värmeväxlingen sker effektivare och installationen är i princip oberoende av placering. Även här krävs dock att den värmeväxlare som används till att kyla kylvätskan står i kontakt med ett kylande medium. Värmeväxlaren är mindre till storlek än motsvarande luft till luft radiator och är således lättare att placera. Givet av uppdragsgivaren var att kylare av denna typ skulle användas vid behov av laddluftkylning. Kylelement från Laminova Production AB valdes och beräkningar för dimensionering utfördes av deras konstruktörer utifrån våra specifikationer. Antal, diameter och längd dimensionerades för driftsförhållandet vid den valda kompressorns maximala laddtryck.

Figur 2. Laminova kylelement [18].

Kylelementen kan förenklat beskrivas som rör med ett stort antal utanpåliggande

flänsar. Genom rören pumpas kylvätska och mellan de utanpåliggande flänsarna leds

den varma luften från kompressorn. Flänsarna är tunna och många vilket leder till stor

kylverkande kontaktyta.

Figur 3. Luftens flödesväg över kylelementet [18].

Laminovas element är väl lämpade för skruvkompressorapplikationer där de förutom kylningseffekten bidrar med en ljuddämpande effekt. De pulser som genereras av kompressorn under drift påverkar dessutom inte elementens hållfasthet. Nackdelarna med användandet av Laminovas kylelement är en ökad kostnad då högre krav ställs på tillverkningstoleranser för korrekt montering och funktion. Systemet kräver dessutom en extra värmeväxlare och kylvätskepump.

Vid lägre laddtryck är värmeutvecklingen hos kompressorn mindre och kylning av laddluften inte lika nödvändig. I lågtrycksinstallationer används därför vanligtvis inte laddluftkylare.

2.3.4 Flöden och tryckförluster

Vid höga laddtryck är, som tidigare nämnts (2.3.3), kylning av laddluften att föredra.

För att åstadkomma effektiv kylning är det lämpligt att låta luften passera något kylverkande element mellan laddare och insug. Kylning av varm gas innebär en tryckminskning då temperaturen sjunker och densiteten ökar. Tryckfallet kan, under antagandet och förenklingen att luft är en ideal gas, förklaras med hjälp av allmänna gaslagen (2.1). Där framgår att trycket (p) är direkt proportionellt mot temperaturen (T). V är i uttrycket volym, n substansmängd och R allmänna gaskonstanten.

pV=nRT (2.1)

Förluster i tryck och flöde som uppkommer på grund av kylarens konstruktion är av

desto större intresse. Det finns olika typer av kylare, vanligast för kylning av laddluft är

luft till luft, samt vätska till luft radiatorer. Tryckfallet över Laminovas kylelement är

lägre än genom cellpaketen hos motsvarande luft till luft system[3]. I ett kylsystem där

en luft till luft radiator används tvingas luften genom ett stort antal små passager i

radiatorn och ofta även till tvära riktningsändringar. Ett system med kylelement från

Laminova Production AB kan utformas så att luften passerar de kylverkande elementen

utan större riktningsändringar och konstruktionen erbjuder ofta enklare tryckvägar med

lägre tryckförluster som följd.

2.4 Mätning av tillgängligt utrymme

Eftersom det i motorrummet tillgängliga utrymmet inte fanns att tillgå i datormiljö utfördes fysiska mätningar på en Yamaha RX-1 snöskoter. Vid första mättillfället avbildades utrymmet med modeller av pappark och utifrån dessa skapades en 3D- modell i CAD-programmet I-deas. Modellen användes till att framställa 2D-ritningar av utrymmet i skala 1:1. Med hjälp av ritningarna frästes, kapades och formades en så kallad mock-up, en förenklad fysiskt modell, i frigolit för test på snöskotern. Denna överdimensionerades vid tillverkningen för att tillåta justeringar av formen.

Frigolitmodellen anpassades efter motorutrymmet och ändringarna infördes i I-deas.

Denna modifierade CAD-modell fick fungera som den slutliga över tillgängligt utrymme.

Figur 4. Demonterad snöskoter.

Figur 5. Avbildning av motorrum med hjälp av pappark.

2.5 Systemöverblick

En schematisk skiss av kompressorkittets upplägg gjordes för att effektivare kunna planera arbetet. Skissen åskådliggjorde de system, komponenter och funktioner som skulle ingå. Litteraturstudier och benchmarking, tillsammans med rådgivning från inblandade parter, bidrog till att forma kittets struktur. Önskade funktioner och nödvändiga komponenter listades, utöver det som nämnts i kravspecifikationen (2.2) bör följande ingå:

• Gavel och spjällhus till kompressorns insugssida.

• Säkerhetsventil för eventuella tryckchocker.

• Kylmediepump.

• Värmeväxlare till laddluftkylning.

• Drivning från motor till kompressor.

Utifrån listan gjordes en enkel principskiss med syfte att åskådliggöra nödvändiga komponenter och deras förhållande till varandra.

Figur 6. Översiktsbild av det tänkta systemet.

2.6 Dimensionering av kylsystem

Kylsystemet dimensionerades utifrån kompressorns maximala laddtryck på 1,5 bar. Ur musseldiagram för kompressorn kunde temperaturökning, kompressorvarvtal och effektförlust för drivning bestämmas för aktuellt laddtryck och luftflöde, se Bilaga A Maximal längd på kylelementen bestämdes av det för intercoolermodulen tillgängliga utrymmet i motorrummet. Vid beräkningarna antogs en kylelementlängd av 332mm, den kom senare på grund av utrymmesskäl att justeras till 297mm. Förändringens betydelse för resultatet kan anses försumbar, den totala kyleffekten blir något mindre men den inbördes ordningen bland de olika konfigurationerna(2.6.2) förblir densamma.

2.6.1 Beräkning av parametrar för dimensionering av kylelement.

Slagvolym motor: V

= 1 liter

Max varvtal motor: rpm

= 10500 varv/min

Volymetrisk effektivitet (V

) för en kompressionssänkt motor antas vara 90 % (original cirka 100 %).

Max laddtryck 1,5 bar ger tryckförhållande PR=2,5 Luftmängd som förbrukas under ett varv:

V

= (V

/2)*V

V

= (1/2)*0,9 = 0,45 l/varv

Luftmängd som förbrukas vid maximalt varvtal:

V

= V

* rpm

= 0.45*10500 = 4,7 m

/min

Luftflöde som krävs för att uppnå 1,5 bars laddtryck (PR=2,5):

V

= PR*V

V

= 2,5*4,7 = 11,8 m

/min

Med beräknade värden på erforderligt luftflöde och tryckförhållande bestämdes ur musseldiagram laddluftens temperaturökning. Musseldiagrammet är baserat på en lufttemperatur av 20

C, temperaturen vid verkliga driftförhållanden är lägre och kan antas ligga runt 0

C. Temperaturkurvan i diagrammet korrigeras 20

C neråt och den aktuella lufttemperaturen vid 1,5 bars laddtryck blir 130

C.

Beräkningar av lämpligt antal kylelement samt dimensioner utfördes av Laminova Production AB och baserades på följande indata:

• Laddtryck: 1.5bar

• Kylvätskeflöde: 17 l/min

• Temperatur på insugsluft: 0

C

• Temperatur på laddluft: 130

C

• Temperatur på kylmedium: 20

C

• Kylmedium: glykol och vattenblandning

• Längd på element: 332mm

• Antal element: 2 alternativt 3st.

2.6.2 Kylelement

Följande tabeller togs fram av Laminova Production AB och åskådliggör olika monteringsalternativ för kylelementen.

2 x 39.5mm – 332mm, serie

CHANNEL INLET INLET OUTLET HEAT PRESSURE FLOW TEMPERATURE PRESSURE TEMPERATURE TRANSFER DROP AIR COOLANT AIR COOLANT AIR COOLANT AIR COOLANT AIR COOLANT l/min l/min °C °C bar bar °C °C kW Bar bar 13800 17,0 130,0 20,0 2,5 1,0 94,51 37,62 17,91 0,109 0,171 Tabell 2.1. Uppsättning 1: 2st Ø39.5*332 mm kärnor, kylvatten flödar i serie, kyleffekt 18 kW.

3 x 39.5mm – 332mm, serie

CHANNEL INLET INLET OUTLET HEAT PRESSURE FLOW TEMPERATURE PRESSURE TEMPERATURE TRANSFER DROP AIR COOLANT AIR COOLANT AIR COOLANT AIR COOLANT AIR COOLANT l/min l/min °C °C bar bar °C °C kW Bar bar 13800 17,0 130,0 20,0 2,5 1,0 83,58 43,00 23,41 0,071 0,254 Tabell 2.2. Uppsättning 2: 3st Ø39.5*332 mm kärnor, kylvatten flödar i serie, kyleffekt 23 kW.

3 x 39.5mm – 332mm, 1+2

CHANNEL INLET INLET OUTLET HEAT PRESSURE FLOW TEMPERATURE PRESSURE TEMPERATURE TRANSFER DROP AIR COOLANT AIR COOLANT AIR COOLANT AIR COOLANT AIR COOLANT l/min l/min °C °C bar bar °C °C kW Bar bar 13800 17,0 130,0 20,0 2,5 1,0 89,25 40,20 20,55 0,072 0,112 Tabell 2.3. Uppsättning 3: 3st Ø39.5*332 mm kärnor, kylvatten flödar in genom en kärna och ut genom

två parallellt, kyleffekt 21 kW.

Ur tabellerna kan utläsas att uppsättningarna i tabell 2.2 och 2.3 är effektivast med avseende på kyleffekt och laddtrycksförluster. Uppsättningen i tabell 2.1 anses inte uppfylla kraven på tryckfall och kyleffekt tillräckligt väl för att motivera användandet av endast två kylelement. Konstruktionsmässigt är den sista uppsättningen, tabell 2.3, att föredra då dess flödesschema gör att intercoolermodulens gavlar kan konstrueras med in- och utlopp för kylvätska i en och samma gavel. Utförandet är utrymmesbesparande då båda slanganslutningarna kan placeras på den sida av modulen där kompressorns drivrem inte går. Då kyleffekt och tryckfall för uppsättningarna i tabell 2.2 och 2.3 endast skiljer sig åt marginellt valdes det senare alternativet på grund av dess konstruktionsmässiga fördelar.

De indata som beräkningarna baserats på beskriver ett driftförhållande där temperaturen på kylvätskan är 20

C. Under verkliga förhållanden och vid normal drift förväntas temperaturen vara lägre. Stillastående tomgångskörning kan medföra en temperaturökning då värmeväxlaren för kylvätskan i intercoolersystemet endast kyls av den omgivande luften. Värmeväxlaren är placerad i snöskoterns bandtunnel och kyls under drift av snösprut från skoterns drivband, stillastående tomgångskörning längre stunder antas därför kunna resultera i temperaturer runt 20

C.

Kylsystemet till laddluften är skilt från motorns kylsystem och påverkas således inte av

detta. Viktigt att påpeka är också att värdena i tabell 2.1-2.3 alla är baserade på ett

driftförhållande då kompressorn arbetar under maximal belastning, de gäller således inte vid andra förhållanden.

2.6.3 Pump

Kylmediepumpen skulle enligt rekommendationer från Laminova Production AB flöda ungefär 17 l/min. Storlek och vikt prioriterades vid val av lämplig modell. På Johnson Pump Svenska:s webbsida [9] hittades ”Johnson pump CM30P7-1” vars specifikationer uppfyller samtliga kriterier.

Figur 7. Pumpkaraktäristik för Johnson pump CM30P7-1 [19].

2.7 Koncept

För att nå ett bra slutresultat bör ett antal olika lösningar på ett problem utvärderas och vägas mot varandra. Olika lösningar har i detta fall presenterats som olika koncept.

Generering och utvärdering av dessa beskrivs i detta kapitel.

2.7.1 Idégenerering

Med kraven på systemet utvärderade utfördes idégenereringssessioner för att upptäcka nya vinklar, perspektiv och möjligheter gällande installationen. Till en början behandlades konceptets helhet för att senare fokusera på specifika detaljlösningar.

Metoden brainwriting användes till att framställa skisser av olika systemupplägg. Det

tillgängliga utrymmet ritades i naturlig storlek och innanför dess ramar växte olika

systemförslag med olika placeringsalternativ av de ingående komponenterna fram. Vid

besök hos uppdragsgivaren diskuterades olika lösningsförslag. Till en början togs ingen

hänsyn till kostnader, tillverkningsmöjligheter eller tekniska data utan tankarna fick

flöda fritt. Idéer som ansågs användbara anammades och användes som underlag till

fortsatta brainwritingsessioner. Genom att studera projektskoterns motorrum i

verklighet kunde de olika konceptens lämplighet enklare utvärderas. Skisserna av de

koncept som ansågs lämpligast kom senare att användas som underlag för CAD, i figur

8 kan exempel på skisser ses. Skillnaderna mellan koncepten bestod till största delen av

utseendevariationer samt variationer gällande modultänk, de illustrerade bland annat

olika placeringar av kylelement och kompressor. Modultänk innebär att kittet delas upp i moduler där endast vissa delar behöver modifieras för att anpassa kittet till andra modeller. Således kan tillverkningskostnad och utvecklingstid reduceras vid framtagningen av nya kit.

Figur 8. Exempel på genererade skisser.

2.7.2 CAD-koncept

Skisserna av de olika koncepten utvärderades med avseende på funktion,

tillverkningsmöjlighet, kostnad, design och möjligheten att anpassa dem till andra

snöskotermodeller. De olika aspekterna vägde olika tungt vid bedömningen, funktion

och tillverkningsmöjlighet ansågs vara av störst betydelse. Bedömningen gjordes med

hjälp av uppdragsgivaren och inblandade komponentleverantörer med utgångspunkt i

de tidigare nämnda kriterierna. De två koncept som erbjöd den bästa kompromissen

modellerades upp i I-deas. Som 3D-modeller kunde de utvärderas ytterligare och

enklare jämföras sinsemellan. Efter samråd med Laminova Production AB, Lysholm

Technologies AB samt Tikka Race Sweden AB gällande materialval, godstjocklek,

tillverkning och utformning gjordes vissa justeringar av koncepten. Figur 9 visar ett

koncept som modellerats i I-deas, konceptet återfinns även som skiss längst ner till

höger i figur 8.

Figur 9. Exempel på 3D-modell av konceptskiss.

2.7.3 Test av CAD-modeller

För att verifiera att de koncept som skapats i CAD-miljö passade på prototypsnöskotern tillverkades mock-up:er. Dessa tillverkades genom att i I-deas skapa 2D-ritningar i skala 1:1. Med hjälp av ritningarna kapades och frästes tvärsnitt i markisolerskivor som sedan sammanfogades med lim. Mock-up:erna användes till att utvärdera konceptens design och placering. Mycket tid lades ner på att kontrollera att alla komponenter rörande drivningen av kompressorn var rätt placerade. De fysiska modellerna gjorde det dessutom enklare att upptäcka potentiella tillverkningstekniska problem hos olika konstruktionslösningar. Som ett resultat av testningen utfördes nödvändiga förändringar av CAD-modellerna.

Figur 10. Test av en frigolit mock-up

2.7.4 Konceptval

De modifierade CAD-modellerna skickades till Tikka Race Sweden AB och Lysholm Technologies AB. Syftet med detta var att de på var sitt håll skulle bedöma modellerna, detta som ett förberedande moment för en senare telefonkonferens. Under telefonkonferensen mellan ovan nämnda parter utvärderades modellerna gemensamt.

Här gavs möjlighet för alla inblandade att framföra sina åsikter och tankar och bedömningarna gjordes utifrån de tidigare nämnda aspekterna. Lång och gedigen erfarenhet av liknande installationer fanns bland deltagarna, något som underlättade utvärderingen avsevärt. Som ett resultat av telefonkonferensen valdes ett koncept att jobba vidare på. Konceptet berikades med en del förslag på modifieringar och kan sägas vara ett resultat av de bästa lösningarna hos ursprungskoncepten. Det valda konceptet bygger på ett modultänk där kompressorn monteras vertikalt och lågt i skoterchassiet. Placeringen ger intryck av en kompakt installation och bidrar till att dölja stora delar av kompressorn som i annat fall kan uppfattas stor och klumpig.

Beslut fattades även om att konstruera två modeller av kittet, en första billigare prototyp för testning och utvärdering och en andra, mer avancerad, för kommande eventuell storskalig produktion genom gjutning.

2.8 Modellering

Efter beslut att tillverka en enklare första prototyp modellerades samtliga detaljer upp i 3D CAD-programmet I-deas. Det första prototypkittet konstruerades med en, ur tillverkningssynpunkt, enklare utsida men med avancerade inre geometrier. Detta för att möjliggöra utvärdering av utformning och funktion innan serietillverkning.

Parallellt med modelleringen av prototypkittet konstruerades en gjutmodell av kittet med samma inre geometrier men med en mer avancerad utsida. Modellen färdigställs inte förrän prototypkittet är tillverkat och fullständigt utvärderat. Rapporten beskriver därför endast utvecklingen av prototypmodellen.

Med målet att hålla nere tillverkningskostnaden på en första prototyp anordnades ett möte med en representant från den mekaniska verkstaden Tooltech i Töre. Information och rådgivning gällande tillverkningspraktiska frågor såsom lämpliga radier och uppspänningar underlättade konstrueringsarbetet och utformningen av detaljerna.

2.8.1 Intercoolermodul

Intercoolermodulen är huvudkomponenten i kompressorkittet då den bär upp kompressor, tryckkammare, gavlar och kylelement. Redan på konceptstadiet lades riktlinjer för utformningen av modulen och modelleringen har till stor del följt konceptskisserna. En modulbyggd box med plats för tre kylelement och en demonterbar tryckkammare som ansluter mot förgasarbryggan. Boxen konstruerades för att monteras upprättstående med tre kylelement i rad, se figur 12. Placeringen utnyttjar det tillgängliga utrymmet maximalt och ger en kompakt installation.

Slanganslutningar och vattenkanaler för kylelementen integrerades i boxens gavlar,

likaså o-ringar för tätning mellan kylelement och gavel. För att hindra kylelementen

från att röra sig i sidled, samt för att skydda deras flänsar, monterades fixeringsringar på båda sidor om elementen. Ringarna försänktes in i intercoolermodulen för att spara plats, vanligtvis monteras dessa i gavlarna, se figur11, men det innebär att gavlarna måste göras större för att rymma stoppringens tjocklek. Mindre gavlar innebär att modulen kan göras bredare. En bred modul är att föredra då längre kylelement kan användas och kylluftflödet inte behöver riktas om för att spridas över hela förgasarbryggans bredd. Intercoolermodulens bredd bestämdes till stor del av den remskiva som sitter monterad under kompressorns remskiva samt av ramen.

Tillräckligt avstånd måste finnas mellan remskivan och modulens gavel för att drivremmen ska gå fri.

Figur 11. Exempel på gavel med infästning för kylelement [18].

När motorrummet implementerats som 3-d modell i datormiljö och intercoolermodulen placerats däri krävdes justeringar av kompressorinfästningen. För att boxen skulle gå fri för drivaxel och ram krävdes en förskjutning av kompressorn i höjd- och sidled.

Avkall på symmetri med avseende på kompressorns utlopp i förhållande till centrum på intercoolermodulen fick göras, därav kompressorflänsens placering på intercoolermodulen. För att kompensera för sidojusteringen av kompressorn delades luftpassagespåren i boxen upp i två mindre med olika area, spåren närmast kompressorns utlopp gjordes mindre för att sprida ut luften jämnare över kylelementen.

Ytterligare en effekt av uppdelningen är ökad vridstyvhet i konstruktionen.

Figur 12. Intercoolermodul för tre kylelement. Luftpassagerna har olika area för att fördela luften jämnare över elementen.

Intercoolermodulen konstruerades för att tillverkas genom fräsning i höghållfast aluminium. Materialvalet innebär bland annat att inga gänginsatser behöver användas i bultförbanden. Samtliga gäng- och frigångshål dimensionerades enligt den tekniska informationen på Mattssons webbsida [10].

2.8.2 Gavlar till intercoolermodul

Gavlarnas huvuduppgift består i att fördela kylvätska genom kylelementen. De ska utformas så att de inte utgör någon strypning för kylvätskeflödet och ska förses med in- respektive utlopp. Beräkningar av kylkapacitet samt tryckfall på kylvätska och laddluft ligger till grund för utformningen av kanalerna och fördelningen av flödena.

Beräkningarna utfördes av kylelementleverantören Laminova Production AB (2.5.2).

Tvärsnittsarean hos kanalerna i gavlarna bör matchas mot tvärsnittsarean hos kanalerna i kylelementen. För att tillverkningstekniskt uppnå detta genom fräsning konstruerades gavlarna tvådelade, se figur 13. Härigenom kunde materialet i gaveln utnyttjas maximalt och önskad tvärsnittsarea uppnås.

Rekommendationer om lämplig utformning för infästning av kylelement i gavlar tillhandahölls av Laminova Production AB, dessa följdes vid detaljkonstrueringen då inget fysiskt kylelement fanns att tillgå. Rekommendationerna gällde o-rings storlekar, frigångsdiametrar och längder.

In- och utlopp för kylarvätska placerades i en gavel, dels på grund av utrymmesskäl

och dels på grund av valt flödesschema genom kylelementen (2.5.2). Gavlarnas inre

geometrier följer Laminovas rekommendationer i alla avseenden utom ett, placering av

fixeringsringar. Dessa försänktes in i intercoolermodulen istället för in i gavlarna och

innebar att varje gavel kunde göras 1.5mm tunnare. Gavlarnas lock förstärktes lokalt

för att tillåta håltagning och gängning för anslutningsnipplar. Gängade

slanganslutningar av samma dimension som de på den tilltänkta vattenpumpen

(Johnson pump CM30P7-1) valdes.

Figur 13. Tvådelad gavel till intercoolermodul.

2.8.3 Tryckkammare

Tryckkammaren konstruerades enligt konceptskisserna som en löstagbar modul. Detta främst för att luftpassagerna i intercoolermodulen ska vara åtkomliga. I prototypversionen krävs handportning av passagerna för att optimera tryckfördelningen över kylelementen, en fast monterad tryckkammare försvårar denna operation.

Konstruktionen underlättar även fortsatt utvecklingsarbete till andra snöskotrar som kan använda sig av samma intercoolermodul. I dessa fall konstrueras endast tryckkammaren om för att passa den nya modellen.

Den för prototypkittet aktuella snöskotermodellen är försedd med förgasare och erbjuder, till skillnad från senare årsmodeller med insprutning, mindre utrymme för tryckkammaren. Tryckkammaren utgör förbindelsen mellan intercoolermodulen och förgasarbryggan och dess huvuduppgift består i att fördela flöde och tryck jämnt över insugen. Det finns inga specifika rekommendationer för tryckkammarens volym vid användandet av skruvkompressor, men en större volym gör att luften lättare breder ut sig och fördelar sig jämnare över insugen. Tryckkammaren konstruerades för att utnyttja den tillgängliga volymen maximalt och samtidigt optimera tryckvägarnas geometrier för att minska tryckförluster.

I turboinstallationer är det vanligt att insugstrattar används till att slå sönder luftströmmar och jämna ut trycket över insugen, i kompressorinstallationer är detta inte lika vanligt. Efter samråd med kompressorleverantören valdes trattar bort i prototypversionen, uppstår problem kvarstår dock dessa som ett alternativ vid fortsatt prototypframtagning.

I enlighet med kravspecifikationen konstruerades kammaren för att rymma två till tre ventiler för evakuering av laddtryck. Vid tomgångskörning är förgasarnas trottlar nästan helt stängda och kompressorn får arbeta mot en sluten luftvolym. För att hindra kompressorn från att skadas av mottrycket används en vakuumstyrd ventil för att återcirkulera laddluften tillbaka till kompressorns inlopp. Ventilen placeras lämpligast på samma sida som inloppet och kan då integreras direkt i kompressorns gavel.

Ytterligare en till två ventiler används för att ventilera bort eventuella plötsliga

ventiler monteras i efterhand och nödvändiga modifieringar görs på prototypkammaren efter utprovning i motorrummet.

Prototypversionen av tryckkammaren konstruerades för tillverkning i aluminiumplåt.

Detaljerna konstruerades för att vattenskäras och bockas till önskad form, samt sammanfogas genom svetsning. CAD-programmets ”sheet-metal” funktion användes till att göra plåtutbredningar av detaljerna och framställa ritningar.

2.8.4 Lock

Intercoolermodulens baksida är av tillverkningstekniska orsaker täckt av ett löstagbart lock. Utförandet underlättar bearbetningen av prototypmodulen som tillverkas genom fräsning. Tillgängligt utrymme, hållfasthetsberäkningar samt rekommendationer från kompressorleverantören låg till grund för val av godstjocklek och utformning av locket.

Prototypversionen konstruerades för att vattenskäras i 6mm aluminiumplåt med försänkta hål för skruvar. Utformningen av intercoolermodulen kräver utöver försänkta skruvhål dessutom att skruvar med låg skalle används för att inte ta i kompressorn.

I en första version används packningsklister till att täta mellan lock och modul, i ett senare skede kan det bli aktuellt med o-ring. Användandet av o-ring innebär att intercoolermodulens baksida, alternativt locket, måste förses med spår. I praktiken innebär det att de yttre väggarnas godstjocklek måste ökas för att rymma både skruvar och o-ring, en operation som kräver omkonstruktion följt av ökad vikt och eventuellt ökad tillverkningskostnad.

Locket fästs genom bultförband och kläms fast mellan intercoolermodul och kompressor vid montering. Tätning mellan kompressor och lock sker med packningsmaterial.

2.8.5 Bultförband

Val av bult- och gängtyper gjordes utifrån den tekniska informationen på Mattssons webbsida, likaså dimensionering av frigångshål. Insexbult med millimetergäng har använts genomgående, vissa med låg skalle.

2.8.6 Assemblering

Samtliga parter sammanställdes och kopplades ihop i en assembly i CAD programmet I-deas. Sammanställningen över de konstruerade parterna, inklusive skruvar och brickor, placerades i det sedan tidigare modellerade motorutrymmet. Härigenom kunde utrymmeskraven kontrolleras och eventuella nödvändiga modifieringar upptäckas.

2.8.7 Mock-up

Utifrån den kompletta sammanställningen skapades tvådimensionella ritningar av

prototypkonstruktionen. Plåtutbredningsfunktionen i CAD-programmet användes för

att skapa ritningar av detaljerna konstruerade som sheet-metal parter för utskärning i planplåt. Tryckkammaren samt en förenklad intercoolermodul klipptes ut och formades i plåtbockmaskin till en mock-up i verklig storlek. Infästningsplattan för kompressorn tillverkades i plywood och intercoolermodulens gavlar frästes i markisolerskivor av cellplast.

Figur 14. Kompressor monterad på plåt mock-up.

Mock-up:en testades på projektskotern med drivaxel, remmar och remskivor på plats.

Kompressorn fästes i infästningsplattan och hela kittet placerades på avsedd plats i motorrummet, se figur 15.

Figur 15. Test av plåt mock-up i motorrum.

Vid monteringen upptäcktes ett justeringsbehov av kompressorinfästningen då drivremmen till kompressorn låg för nära intercoolermodulens gavel. I övrigt passade mock-up:en in i motorutrymmet och gick fri för den underliggande drivaxeln och motorhuven, två av de styrande faktorerna för kittets utformning. Mock-up:en användes även till att verifiera referensmått från motorrummet samt till att föra in nya i den datormodell som skapats av utrymmet, se figur 16.

Figur 16. Verifiering av referensmått

2.9 Hållfasthetsanalys

För att kunna dimensionera kittets ingående komponenter utfördes hållfasthetsanalyser.

De mest utsatta komponenterna, intercoolermodulen och dess lock, analyserades.

Handberäkningar, FEA och MBS användes till att bestämma spänningar och töjningar för uppskattade lastfall.

2.9.1 Analys av dynamiska yttre påfrestningar

För att bestämma de yttre krafter som kan angripa infästningspunkter och konstruktionen i sin helhet utfördes handberäkningar samt en kontrollerande simulering i Adams. Med yttre krafter avses kraftpåkänningar orsakade av snöskoterns rörelsemönster. Beräkningarna behandlar ett scenario där snöskotern faller fritt från 2m höjd och vid landning använder sig av hela sin fjädringsväg. Scenariot används till att bestämma den retardation som påverkar snöskotern vid landning, det fall då fjädringen bottnar försummas på grund av beräknings- och modelleringssvårigheter.

Med given retardation och känd massa kan påverkande krafter beräknas och sedan

implementeras i hållfasthetsberäkningar. Lasterna som ges av dessa beräkningar och

simuleringar angriper kittet i dess infästningspunkter mot snöskoterns chassi.

2.9.1.1 Analytiska beräkningar

Initialhastigheten beräknades utifrån fritt fall från 2m höjd enligt nedanstående formler:

2 at

s = (2.2)

v = at (2.3)

a t 2 s

= (2.4)

där:

a = acceleration(g i detta fall)(m/s

): 9.82 s = sträcka(m): 2

v = hastighet(m/s) t = tid(s)

Insatta värden ger:

v = 6.27m/s

Initialhastigheten när stötdämparen och fjädern börjar bromsa fallet är alltså enligt ovanstående 6.27m/s.

Data på fjäder:

Fjädringsväg: 229mm, komprimerad 40mm av snöskoterns egentyngd vid olastad snöskoter.

Komprimering: 229mm och sedan tillbaka till 40mm komprimering.

I de analytiska beräkningarna bortser vi från jämviktsläge med 40mm komprimerad fjäder och beräknar endast den retardation som uppstår vid inbromsning av initialhastigheten på fjäderns fulla längd, d.v.s. 229mm.

Med den beräknade initialhastigheten (v) och den givna fjädringsvägen (s) kan retardationen (a) beräknas med samma formler som i tidigare beräkning.

Löser ut (a) ur ekvation (2.2), (2.3) och (2.4):

s a v

2

=

(2.5)

Insatta värden v = 6.27 och s = 0.229 ger:

a = 85.84m/s

2.9.1.2 Simulering

Som tidigare nämnts utfördes även en kontrollerande simulering för att verifiera de

analytiska beräkningarna. Det dämpade systemet som föreställer snöskotern består i

denna simulering av en kub med given massa som dämpas av en fjäder och en

stötdämpare. Kuben med dess massa motsvarar snöskoterns fjädrade massa. Fjäder och

sammanfaller med indata i de analytiska, det vill säga 229mm fjädringsväg och 6.27m/s initialhastighet. Utifrån kubens massa beräknades dessutom en fjäderkonstant som ger 40mm fjäderkomprimering vid olastad kub. Detta för att ytterligare utveckla simuleringen och eventuellt nå ett resultat som ligger ännu närmare verkligheten.

Dämpningskonstanten varierades till dess att 229mm komprimering, rimlig översläng och stabilitet erhållits. Konstanten är beroende av den påverkande massan och hastigheten, därför är dess egentliga värde inte av intresse.

Med givna indata, 229mm fjäderkomprimering med initialhastigheten 6.27m/s, ges en retardation på ca 100m/s

.

I figur 17 ges en bild av simuleringsuppställningen.

Figur 17. Simuleringsuppställning i Adams.

Nämnas bör att detta är ett extremfall där man antar att underlaget inte ger vika och att hela kraften såldes tas upp av snöskoterns stötdämpare. I verkligheten förlängs

”fjädringsvägen” genom att underlaget (snön) komprimeras en betydande sträcka och därmed reducerar kraftpåkänningen på snöskoterns ingående delar.

2.9.2 FEA av IC-modul

Resultatet från 2.9.1 användes till att bestämma de krafter som inverkar på

intercoolermodulens hållfasthet. Med dessa kända utfördes en hållfasthetsanalys med

hjälp av FEM. Krafternas inverkan visade sig vara mycket små då modulens

infästningspunkter för monteringsstag mot skoterchassiet sammanfaller med

kompressorns bultförband mot intercoolermodulen. Kompressorn utgör största delen av

kittets massa och placeringen av infästningspunkterna gör att snöskoterns chassi bär

upp dess vikt och avlastar övriga komponenter. Resultatet från analysen presenteras

inte närmare då krafterna kan anses försumbara.

2.9.3 FEA av lock

Hållfasthetsberäkningar på locket till intercoolermodulen gjordes genom FEM.

Dimensioneringen grundades på spänningar och töjningar vid maximalt laddtryck.

Dimensionerande faktor var i detta fall i första hand inte säkerhet mot plastisk deformation utan istället töjningar på locket. Stora töjningar kan förutom läckage ge kraftiga svängningar på locket orsakade av de pulser som genereras av kompressorn.

Svängningarna kan göra att locket får en ”trumskinnskaraktär” som resulterar i en oönskat hög ljudnivå. Ett antal olika beräkningar genomfördes med olika godstjocklek på locket. Tillgängligt utrymme tillåter en maximal godstjocklek av 6mm, en godstjocklek som även ger en god balans mellan vikt och töjningar. Valet av 6mm godstjocklek sammanfaller även med Lysholm Technologies AB:s rekommendation.

Figur 18 illustrerar en FEM-beräkning av ett 6mm lock. Analysen baserades på nedanstående indata:

• 1.5bar övertryck på hela ytan, riktning: negativ z-led.

• Lockets bulthål låsta i alla translationsriktningar.

• Ytterkant av lock låst i z-led runtom.

• Låst yta i z-led där kompressorns monteringsfläns ligger an mot locket.

• Fri rotation i x, y, z.

• Elasticitetsmodul: 71500N/mm

Figur 18. Resultat av FEM-beräkning på lock med 6mm godstjocklek.

Ur figur 18 kan nedanstående utläsas:

Maximal töjning: 0.061mm

Maximal spänning: 46MPa

2.10 Tillverkning av prototyp

Prototypen avser att testa funktion, ljudnivå, interiör och exteriör design. Första prototypen har som tidigare nämnts (2.8) en så enkel exteriör som möjligt för att hålla ner tillverkningskostnaden.

2.10.1 Frästa detaljer

De detaljer i prototypkittet som ska tillverkas genom fräsning är intercoolermodulen och dess gavlar. CAM-beredning görs av anlitad tillverkare utifrån CAD-modellerna.

2.10.2 Vattenskurna detaljer

Detaljer som designats för att tillverkas genom vattenskärning är locket, de olika detaljerna till tryckkammaren och flänsen som ska monteras mellan tryckkammaren och intercoolermodulen.

2.10.3 Bockning och svetsning

De vattenskurna detaljerna till tryckkammaren bockas enligt ritningar från CAD-

modell och sammanfogas genom svetsning. Flänsen som ska monteras mellan

tryckkammaren och intercoolermodulen svetsas samman med den kompletta

tryckkammaren. Efter svetsning planfräses flänsen för att ge en slät tätningsyta mot

intercoolermodulen.

3 Resultat

Utifrån uppdragsgivarens kravspecifikation har en komplett prototypmodell skapats i I- deas. Prototypen designades efter uppdragsgivarens önskemål och komponentleverantörernas rekommendationer. För att uppfylla dessa krävdes utrymmeseffektiva lösningar, något som till stor del styrt utformningen av detaljerna.

Som exempel kan nämnas asymmetrisk placering av kompressorinfästning på intercoolermodul, fixeringsringar placerade i intercoolermodul istället för i gavlar, tvådelade gavlar och kortade kylelement. Även bultförbanden har drabbats av utrymmesbristen och ett flertal kräver bultar med låg skalle i kombination med försänkningar.

Slutresultatet avser en CAD-modell för tillverkning av en första prototyp. Prototypen ska testas och utvärderas av uppdragsgivaren innan beslut fattas om serietillverkning i mindre skala. Att den enbart ska fungera som utvärderingsmaterial ställer krav på låg tillverkningskostnad. Detta har lett till att den exteriört, utan att försumma kravet på låg vikt, konstruerats så enkel som möjligt. För att erhålla kvalitativa testresultat har den dock designats med en mer avancerad interiör. För att hålla nere kittets tillverkningskostnad har de ingående detaljer i möjligaste mån konstruerats för ekonomiskt fördelaktiga tillverkningsmetoder. Detta innebär exempelvis vattenskärning, bockning och svetsning där detta är möjligt. Vissa delar avser att tillverkas genom fräsning, något som är kostsamt men på prototypen tyvärr ofrånkomligt med de geometri- och toleranskrav som råder. Viss ytterligare komplettering av kittet krävs för test av prototypen. Tryckventil och återcirkulering ska exempelvis monteras på lämplig plats när kittet placerats i motorrummet.

Förutom prototypmodellen har ett förslag på serieproduktionsmodell tagits fram.

Denna är anpassad för tillverkning genom gjutning men kan inte färdigställas helt förrän den första prototypen är fullständigt utvärderad. Skillnaden mellan de båda modellerna ligger i deras exteriör, interiören är densamma. Gjutning erbjuder möjlighet till mer komplexa geometrier. Modellen konstruerad för gjutning är uppdelad i färre detaljer, bland annat är tryckkammaren konstruerad i ett stycke till skillnad från prototypmodellens fyra. Gavlarna till intercoolermodulen behöver heller inte tillverkas tvådelade utan kan tillverkas som en detalj.

Prestanda har tyvärr inte kunnat utvärderas då någon fysisk modell ännu inte tillverkats. Teoretiska överslagsberäkningar har utförts men kommer inte att presenteras då deras koppling till verkligheten ännu inte kunnat verifieras. Kittet har utformats enligt de rekommendationer som funnits till handa och borde teoretiskt således kunna erbjuda den prestanda och karaktär som uppdragsgivaren söker. Det som eftersträvas, förutom hög effekt, är omedelbart gassvar. Det vill säga snabb effektuppbyggnad, snabbare än i de kit som finns på marknaden idag. Med valda komponenter och de ingående detaljernas utformning förväntas kittet ge den unika karaktär marknaden idag saknar.

CAD-modeller på samtliga ingående detaljer finns färdiga för CAM-beredning och

tillverkning. Offertförfrågan för tillverkning av komponenterna har skickats ut till ett

antal olika tekniska verkstäder. Tillverkning väntas under hösten varefter testning och

utvärdering kommer att ske.

Vägen till resultatet har i kronologisk ordning följt de punkter som redovisas nedan:

• Litteraturstudie

• Insamling av teknisk information och rekommendationer från iblandade komponentleverantörer

• Benchmarking – undersökning av befintliga lösningar och utbud på marknaden

• Uppmätning av motorutrymme och berörda komponenter för återskapning i datormiljö.

• Beräkning och dimensionering av ingående komponenter

• Idégenerering

• Konceptval

• CAD

• Mock-up av CAD-modell för test på snöskoter

• Detaljkonstruktion av valt koncept

• FEA och MBS på slutligt koncept

Projektet har följt den ovan presenterade arbetsgången men

produktutvecklingsprocessen är en iterativ process, tidiga moment har återbearbetas

utefter projektets gång alltefter ny information och kunskap adderats. Detta har

exempelvis inneburit att litteraturstudie återigen varit nödvändigt vid

detaljkonstruktion.

Figur 19 visar de ingående komponenterna i prototypkittet och figur 20 visar kittet monterat.

Figur 19. Illustration av kittets ingående detaljer.

Förklaring till numrering i figur 19 ges nedan.

1. Kompressor av modell LYS1200AX 2. Intercoolermodul

3. Laminova kylelement 4. Lock till intercoolermodul 5. Fixeringsring

6. Gavelpar utan slanganslutningar 7. Gavelpar med slanganslutningar

8. Fläns mellan tryckkammare och intercoolermodul 9. Gavel till tryckkammare

10. Huvuddel till tryckkammare

4 Diskussion och slutsatser

Strävan efter mer effekt är något som präglar de flesta fordonsbranscher.

Snöskotermarknaden är inget undantag.

Detta examensarbete beskriver utvecklandet av ett skruvkompressorkit till snöskotrar.

Skruvkompressorn är, sett till prestanda, i de flesta avseenden överlägsen alla andra kompressortyper. Trots detta har ingen annan kittillverkare valt att basera sina kit på dessa. Skruvkompressorerna är betydligt större än de laddare som används i andra snöskoterkit. Dess storlek i kombination med ett i sammanhanget litet tillgängligt utrymme ställer krav på väl genomtänkta lösningar, något som ofta går hand i hand med lång utvecklingstid. Dyra komponenter, lång utvecklingstid, höga krav på toleranser tillsammans med komplexa geometrier inverkar negativt på tillverkningskostnaden. Detta sammantaget kan vara en orsak till att skruvkompressorkit ännu inte erbjudits på snöskotermarknaden.

Trots de motsättningar som råder mot en installation likt den berörda i denna rapport har ett i datormiljö fungerande kit konstruerats. Grunden till resultatet ligger i de avancerade datorverktyg som använts. Genom att modellera upp olika lösningar i 3D- datormiljö kunde de på ett adekvat sätt utvärderas. Kontakt med sakkunniga som bistått med hjälp gällande utvärderingen av 3D-modellerna har vidare förenklat arbetet.

De egenskaper som karaktäriserar en skruvkompressorinstallation är bland annat laddtryck direkt från tomgång. Eftersom det i dagsläget inte finns några liknande kit till snöskotrar att ta lärdom av kvarstår en del frågetecken. Drivlinans toleranser mot direkt effektuppbyggnad är exempel på detta. Frågor likt denna kommer att besvaras vid testning av prototyp. Förutom de frågor som direkt kan kopplas till karaktären hos ett dubbelskruvkompressorkit återstår en del frågor kring utformningen av just detta kit.

De slitsar som i intercoolermodulen gjorts med olika areor måste mest troligt handportas till dess att jämn flödesfördelning över elementen uppnås. Hur denna flödesfördelning bäst bestäms rent praktiskt har ännu inte utretts. Man kan även ifrågasätta vilken betydelse intercoolermodulens avancerade interiör har. I dagsläget har den konstruerats efter både Lysholm Technologies AB:s och Laminova Production AB:s rekommendationer, vilket innebär ”mjuka” flödesvänliga former. En enklare interiör med skarpa kanter och plana ytor skulle vara kostnadsmässigt mer fördelaktig.

Om prestandan inte motsvarar kostnadsökningen kan det enklare alternativet vara att föredra.

Tryckkammaren är i prototypmodellen komplicerad och tidskrävande att tillverka, den består av flera detaljer som ska vattenskäras och bockas innan de sammanfogas med svetsning. För att säkerställa god tätning måste dessutom flänsen mot intercoolermodulen planfräsas. Blir en fortsatt tillverkning aktuell bör andra tillverkningsmetoder undersökas, för en första prototyp är detta dock det billigaste alternativet.

I dagsläget är det svårt att bedöma vilken möjlighet en skruvkompressorinstallation har

att bryta sig in på en marknad som starkt präglas av turboinstallationer. Dess unika

karaktär verkar i detta stadiet väcka stort intresse, vilken omfattningen det senare får

återstår att se.

4.1 Vidare arbete

Detta examensarbete har resulterat i en komplett 3D CAD-modell avsedd för en första prototyp. Efter eventuell tillverkning, testning och utvärdering av prototypen kan vissa modifieringar väntas på modellen. Vidareutveckling av prototypen är ett naturligt moment som ofta krävs för att uppnå den funktion och de resultat som eftersträvas.

Skulle dessutom efterfrågan motsvara förväntningarna kan en modell för serieproduktion bli aktuell. Serieproduktionsmodellen skulle anpassas för större serier, lägre tillverkningskostnad samt eventuellt med en design som exteriört sammanfaller med kompressorns. Ett alternativ till serieproduktionsmetod skulle kunna vara gjutning. Eftersom kompressorhuset är gjutet skulle denna tillverkningsmetod kunna ge ett kit som förutom enhetlig design även erhåller samma ytstruktur. I enlighet med uppdragsgivarens önskemål förbereddes en modell parallellt med prototypmodellen.

Denna modell designades med en mer tilltalande exteriör och med målsättningen att fungera som gjutmodell, se figur 21. Modellen har konstruerats för att enkelt kunna justeras utifrån de testresultat som förväntas av prototypmodellen.

Om tillverkning i större serier skulle bli aktuellt bör dock en utredning göras för att kontrollera vilken tillverkningsmetod som lämpar sig bäst i detta fall. Detaljernas geometrier, förväntade produktionsvolymer samt vilken prissättning kittet klarar av för att bli konkurrenskraftigt är faktorer som bör beaktas. Viktigt är att undersöka vilken betydelse kittets exteriör har. Om enbart funktionen är av intresse är det inte ekonomiskt försvarbart att ge kittet en alltför avancerad exteriör då detta, mest troligt, leder till en högre prissättning och eventuellt mindre marknadsandelar som följd.

Detta examensarbete avser utvecklandet av ett kompressorkitt till endast en snöskotermodell. Om funktionen skulle uppfylla förväntningarna och efterfrågan visas god består ett framtida arbete av att ta fram kit till andra lämpliga snöskotrar.

Figur 21. Förslag på serieproduktionsmodell.